Аналоговая электроника

ход не препятствует движению через него неосновных носителей. По-

скольку коллекторный переход включен в обратном направлении, концен-

трация неосновных носителей заряда в его области будет пониженной, а в базе будет иметь место их градиент. Инжектированные из эмиттера носи-

тели заряда дрейфуют в базе от эмиттера к коллектору. Если транзистор

условно представить в виде узла электрической цепи, то, в соответствии с первым законом Кирхгофа (для токов), можно записать:

Если бы в базе не было рекомбинации, то все инжектированные но-

сители доходили бы до коллектора и коллекторный ток (IК) был бы равен эмиттерному (IЭ). Однако в базе имеет место рекомбинация основных и неосновных носителей заряда, что обусловливает наличие тока базы (IБ).

3.1.2.Основные схемы включения биполярных транзисторов

иих типовые параметры

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является об-

щим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора,

существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором

(ОК). Эти схемы включения транзистора по переменной (сигнальной) со-

ставляющей приведены на рис. 2 (для транзистора n-p-n – типа).

Основные параметры этих схем приведены в таблице. Наиболее рас-

пространенной и предпочтительной по параметрам является схема с ОЭ.

Она обладает усилением и по току, и по напряжению, поэтому имеет наи-

больший коэффициент усиления по мощности. В этом ее главное достоин-

ство.

51

транзистора, его междуэлектродные емкости минимальные. Поэтому дан-

ная схема является наиболее высокочастотной. Другим достоинством этой схемы является то, что переход коллектор – база, являющийся ее выходом,

имеет большее предельно допустимое напряжение, чем переход коллектор

– эмиттер, являющийся выходом у предыдущих схем. Следовательно, на выходе этой схемы можно получить сигнал большей мощности.

3.1.3.Дифференциальные параметры биполярного транзистора

иего статические характеристики

Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений,

что имеет место для переменной (сигнальной) составляющей токов и на-

пряжений, называют дифференциальными параметрами транзистора. Кри-

терием малости изменений токов и напряжений является линейность связи между ними, следовательно, дифференциальные параметры не зависят от амплитуды переменных составляющих токов и напряжений. Поэтому схе-

мы включения транзистора, приведенные на рис. 2 а-в, можно представить в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 3).

Рис. 3. Условное обозначение четырехполюсника

На практике, для анализа транзисторных усилителей как четырехпо-

люсников, наиболее часто используется система Н – параметров. С ее по-

мощью устанавливается взаимосвязь между входными и выходными элек-

трическими параметрами четырехполюсника (Ù1, İ1, Ù2, İ2).

Принимая за независимые переменные входной ток İ1 и выходное напряжение Ù2, запишем уравнение четырехполюсника в системе Н - па-

раметров:

53

включения. Поэтому в их обозначении вводится третий индекс (Б, Э или К), определяющий схему включения. Например, параметр h21б представля-

ет собой коэффициент передачи по току в схеме с ОБ при малом сигнале

(h21Б - в режиме большого сигнала) и т.д.

Рассмотрим статические характеристики для транзистора, включен-

ного по схеме с ОЭ (рис. 4), как наиболее распространенной схемы вклю-

чения (см. рис. 3б). Входной вольт–ампе6рной характеристикой (ВАХ)

транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость входного

54

Рис. 4. Статические ВАХ транзистора по схеме с ОЭ а) входные статические ВАХ; б) выходные статические ВАХ

Выходной ВАХ транзистора по схеме с ОЭ является зависимость при постоянном токе базы IБ . Если UБЭ 0, то в цепи коллек-

тора протекает только тепловой ток, т.к. в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p n p – транзистора) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n p n – транзистора) отсутствует. При UКЭ 0 ток в цепи коллектора не протекает. Это объясняется тем, что напряжение UБЭ и

UКЭ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше по-

тенциала базы и коллекторный переход при этом оказывается закрыт. По-

этому выходные характеристики не пересекают ось ординат (рис. 4б). Чи-

словые значения токов и напряжений на рис. 4 типовые и даны для выпол-

нения расчетного задания.

Для дифференциальных параметров транзистора в схеме с ОЭ (для переменного сигнала имеют значения приращения токов и напряжений)

систему h – параметров (2) можно представить в виде:

55

UБЭ h11 IБ h12 UКЭ .IК h21 IБ h22 UКЭ

Тогда, фиксируя поочередно UКЭ и IБ (при этом их приращения в приве-

денной системе уравнений равны нулю), можно записать:

– имеет смысл входного дифференциального сопротивления транзистора;

– имеет смысл коэффициента передачи (усиления) тока в схеме с ОЭ;

– имеет смысл выходной дифференциальной проводимости.

Все приведенные выше h - параметры транзистора можно опреде-

лить графически, используя его входную и выходную ВАХ. Для этого не-

обходимо выбрать рабочую точку, например, точку А (см. рис. 5), в окре-

стностях которой будут расположены токи и напряжения усиливаемого сигнала.

Параметры h11э и h12э определяются с помощью семейства входных характеристик транзистора IБ f1 UБЭ см. рис. 5а.

Определим h11э для заданной рабочей точки. На входной ВАХ рис. 5а (для нее Uкэ = const) в окрестностях рабочей точки А выбираем две вспо-

могательные точки А1 и А2 . Для них определяем значения UБЭ и IБ и,

подставляя их в (3), рассчитываем входное дифференциальное сопротив-

56

ление. Приращения UБЭ и IБ выбирают так, чтобы не выходить за пре-

делы линейного участка.

Рис. 5. К определению h - параметров транзистора а) входная статическая ВАХ транзистора; б) выходные статические ВАХ транзистора

Графическое определение параметра h12э производится следующим образом. На входных характеристиках (рис. 5а), в окрестности рабочей точки для фиксированного тока базы (например, IбА1,), определяются точки А1 и А'1 на характеристиках, снятых для постоянных напряжений Uкэ1, Uкэ2.

Проекции точек А1, А'1 на ось абсцисс позволяют определить UБЭ , а раз-

ность Uкэ1 и Uкэ2 – Uкэ. Подставляя найденные значения приращений UБЭ

и Uкэ в (4), определим значение h12э .

Параметры h21э и h22э определяются с помощью семейства выходных характеристик транзистора IК f2 UКЭ см. рис. 5б.

Для нахождения параметра h21э выбираем две вспомогательные точ-

ки А1 и А2 при постоянном значении напряжения UКЭ UКЭ0 . Определяем приращение тока базы IБ IБ2 IБ1 и соответствующее ему приращение

57

тока коллектора IК IК2 IК1 . Воспользовавшись соотношением (5) полу-

чаем значение коэффициента передачи тока базы.

Параметр h22э определяется по наклону выходной характеристики в

заданной рабочей точке А, при постоянном значении тока базы (например,

IБ IБА ). Для нахождения требуемых приращений выбирают две вспомога-

3.1.4. Полевые (униполярные) транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы бывают двух разновидностей: с

управляемым p–n – переходом и в виде структуры «металл-диэлектрик

(оксид)-полупроводник» или МДП (МОП) – транзисторы. Подробное опи-

сание этих транзисторов имеется в рекомендуемой литературе. Здесь рас-

смотрим подробнее полевые транзисторы первой разновидности.

Полевые транзисторы с управляемым p–n – переходом представляют собой затвор, образуемый запертыми p–n – переходами, имеющий канал проводимости в объеме полупроводника. Рассмотрим принцип действия этого транзистора, упрощенная конструкция и условное графическое обо-

значение которого показаны на рис. 6. Полевые транзисторы могут иметь канал проводимости n–типа, когда носителями заряда являются электроны или p– типа, когда носителями заряда являются дырки. Принцип их работы одинаков, поэтому достаточно рассмотреть один из транзисторов, напри-

мер, с каналом n–типа (рис. 6а). Данный транзистор изготовлен из кремния n–типа. По левой и правой плоскостям кристалла тип проводимости изме-

нен на p+. Эти области высокого легирования образуют с основным объе-

мом кремния p–n – переходы, замыкаются между собой и образуют управ-

58

ляющий электрод, называемый затвором (З). Нижняя и верхняя плоскости кристалла металлизированы и образуют еще два электрода транзистора,

а) б)

Рис. 6. Упрощенная конструкция и условное графическое обозначение полевого транзистора с управляемым p–n – переходом

(а – канал n–типа, б – канал p– типа)

которые называются, соответственно, исток (И) и сток (С). Исток (аналог эмиттера у биполярного транзистора) эмиттирует основные носители заря-

да, сток (аналог коллектора у биполярного транзистора) собирает их.

Если к затвору относительно истока приложить отрицательное на-

пряжение (–UЗИ), то вблизи p+–областей образуется зона, обедненная под-

вижными носителями заряда (электронами), т. е. высокоомная зона, в ко-

торой ток проводимости отсутствует. Толщина этого обедненного слоя за-

висит от величины напряжения UЗИ: при его увеличении (по модулю),

толщина обедненного слоя увеличивается, канал проводимости сужается.

Если приложить к стоку положительное напряжение относительно истока

(UСИ >0), то через этот канал свободные электроны будут двигаться к сто-

ку, образуя ток стока (IС). Чем больше по модулю напряжение UЗИ, тем толще обедненный слой, тем меньше сечение канала проводимости (его сопротивление при этом увеличивается), тем меньше ток через канал. Та-

ким образом, увеличивая напряжение UЗИ в область его отрицательных

59

значений, можно добиться смыкания обедненной зоны. При этом ток в ка-

нале будет равен нулю (произойдет отсечка тока при напряжении отсечки

UЗИотс).

Наоборот, если напряжение UЗИ изменять в сторону нуля, то толщина обедненной области будет уменьшаться, сечение канала будет увеличи-

ваться, ток через него (IС) также будет увеличиваться. Этот эффект моду-

ляции канала проводимости у данного транзистора (канал n–типа) позво-

ляет использовать его в качестве усилителя. В данном случае, для n–

канального транзистора эффект модуляции канала сохраняется для отри-

цательных значений напряжения UЗИ в пределах от UЗИотс до нуля. Если на затвор транзистора подать положительный потенциал относительно исто-

ка, изолирующие p–n – переходы откроются, транзистор становится не-

управляемым и может выйти из строя (этот режим не рабочий).

На рис. 7а приведена зависимость тока стока IС от напряжения за-

твор–исток UЗИ для области модуляции канала транзистора. Она обуслов-

лена описанными выше процессами и называется сток – затворная харак-

теристика (входная характеристика у полевых транзисторов отсутствует,

т.к. входное сопротивление у них очень большое и входной ток пренебре-

жимо мал). Цифрами на графике указаны типовые значения напряжения

UЗИ и тока IС. В данном случае напряжение UЗИотс = –6 В, а предельное значение тока IС.= 15 мА соответствует предельному значению напряже-

ния UЗИ = 0. Сток – затворные характеристики снимаются при постоянном значении напряжения сток – исток UСИ (в данном случае UСИ = 10 В).

60